談江海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所，四川成都610041)

0 引言

短波通信具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便靈活、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)，與有線通信及常規(guī)無線通信相比，短波通信介質(zhì)的電離層不易遭受人為的破壞。因此在現(xiàn)代軍事中，短波通信起著重要的作用，并有著廣泛的應(yīng)用。短波電臺(tái)是短波通信的主要載體，作為其重要組成部分之一的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，如何進(jìn)一步消除雜波、諧波、有效控制發(fā)射機(jī)功率、可靠的保護(hù)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)成為短波電臺(tái)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

文中重點(diǎn)介紹了短波電臺(tái)的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論了增益控制、保護(hù)控制的算法及實(shí)現(xiàn)方法，工程試驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)具有較好的性能。

1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

電臺(tái)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由基帶數(shù)字部分、信道部分和功放功率放大部分構(gòu)成?；鶐?shù)字部分發(fā)射中頻信號(hào)送入信道部分，經(jīng)混頻、放大、濾波處理后送入功率放大部分，信號(hào)放大后送入天線［1］。電臺(tái)發(fā)射機(jī)的主要功能是完成對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)制、頻率改變、濾波、放大等功能。一般情況下，射頻發(fā)射機(jī)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是直接上變頻法，即將調(diào)制與上變頻在一個(gè)電路里完成;另外一種是超外差式，即將調(diào)制與上變頻分開，先在比較低的中頻進(jìn)行調(diào)制，再將調(diào)制好的信號(hào)變頻到發(fā)射到載波頻率上［2］。第二種方式目前使用較廣泛。

為了保證發(fā)射機(jī)保持最大效率，即在不同工作頻率、不同工作溫度，不同發(fā)射波形等條件下，都能夠滿功率發(fā)射，必須對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行有效的功率控制。同時(shí)為了保證發(fā)射機(jī)能夠可靠的工作，避免出現(xiàn)故障，必須設(shè)計(jì)好發(fā)射機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)。

1．1 發(fā)射機(jī)增益控制

對(duì)發(fā)射機(jī)的增益控制，可以從硬件和軟件兩方面入手來考慮。在硬件設(shè)計(jì)中，電臺(tái)采用了自動(dòng)電平控制(ALC)，它是指當(dāng)輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電平恒定不變或在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)變化，即當(dāng)輸入信號(hào)功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時(shí)，經(jīng)過ALC環(huán)路控制后，輸出信號(hào)的功率值在較寬的頻帶上都會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的幅度值上，起到自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)增益的作用［3］。電臺(tái)主要采用了衰減器的環(huán)路反饋設(shè)計(jì)方法來控制功放系統(tǒng)增益。

軟件方面，則主要考慮發(fā)射功率的校準(zhǔn)，其目的是保證發(fā)射機(jī)在不同的工作溫度、不同的頻率，都能輸出相同的功率。此外由于溫度、電流、電壓等變化都能引起發(fā)射功率變化，因此應(yīng)考慮自動(dòng)增益控制，既保護(hù)好發(fā)射機(jī)，又同時(shí)使其發(fā)揮最大效率。

1．2 發(fā)射機(jī)保護(hù)控制

發(fā)射機(jī)在工作過程中，其溫度、電流、駐波比、發(fā)射功率等都在發(fā)生變動(dòng)，發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的主要目的就是保證發(fā)射機(jī)在各種異常情況下不被損壞，并盡可能的堅(jiān)持工作［4］。其主要功能有兩方面:①在過壓、過流、過溫、過激勵(lì)的時(shí)候?qū)Πl(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)做相應(yīng)處理，并同時(shí)報(bào)警;②監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，電臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度、發(fā)射功率，駐波比等信息，并上報(bào)到顯示終端。

在具體的保護(hù)控制設(shè)計(jì)中，通常需要考慮過激勵(lì)保護(hù)、駐波保護(hù)、溫度保護(hù)以及過流保護(hù)等，在發(fā)射機(jī)工作過程中，這些保護(hù)措施相互協(xié)作來完成保護(hù)控制。

2 發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

短波電臺(tái)的發(fā)射控制系統(tǒng)基本的組成包括信道處理、功率放大器等。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了在中頻信號(hào)及射頻信號(hào)中濾出雜波及諧波，分別增加了預(yù)后選器和諧波濾波器。其基本的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

整個(gè)發(fā)射控制系統(tǒng)主要由信道處理單元、預(yù)后選器單元、選頻檢波單元、功率放大單元、功放保護(hù)單元等組成。其中功率檢測(cè)器件實(shí)時(shí)向功放保護(hù)單元上報(bào)正向和反向功率檢測(cè)電壓，利用該檢測(cè)值，可以計(jì)算出此時(shí)的發(fā)射功率以及駐波比，從而進(jìn)行激勵(lì)保護(hù)控制和駐波保護(hù)控制。功率放大器主要由驅(qū)動(dòng)放大器和末級(jí)功放組成，其中末級(jí)功放配有溫度檢測(cè)器，定時(shí)上報(bào)當(dāng)前溫度。功放保護(hù)單元和信道控制單元可以做出相應(yīng)的溫度保護(hù)控制和增益控制。

圖1 發(fā)射控制系統(tǒng)框Fig．1 Transmission control system frame

除射頻組件外，在具體的控制設(shè)計(jì)過程中，主要設(shè)計(jì)了信道控制板，功放控制板，以及顯示控制板。信道控制板主要功能是信道機(jī)控制，包括發(fā)射增益控制、收發(fā)控制、換頻控制等，同時(shí)還要和功放控制板以及顯示控制板通信，控制芯片采用DSP;功放控制板的主要功能是功放保護(hù)、正反向功率檢測(cè)電壓、功放溫度、電流等信息采集，狀態(tài)上報(bào)等，控制芯片采用單片機(jī);顯示控制板主要功能是菜單顯示，參數(shù)控制等，控制芯片采用ARM。這三塊板子之間通過網(wǎng)口和串口進(jìn)行通信，共同完成發(fā)射機(jī)系統(tǒng)控制。

2．1 發(fā)射機(jī)增益控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

由于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的衰減器、預(yù)后選器、諧波濾波器等在不同工作頻率下、不同溫度下，其特性并不一致。比如對(duì)不同的頻率，輸出相同的發(fā)射衰減量，輸出的功率可能不一致，為了達(dá)到工作在任意頻率，發(fā)射機(jī)都能輸出相同的功率，必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)之前，需要先進(jìn)行功率定標(biāo)，即在整個(gè)短波頻段，根據(jù)濾波器的特性，每個(gè)頻段選擇部分頻率作為基準(zhǔn)參考點(diǎn)。借助于頻譜分析儀，對(duì)每個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射功率測(cè)定，確定該頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正向功率參考值。定標(biāo)的算法流程圖如圖2所示。

定標(biāo)完成之后再進(jìn)行功率校準(zhǔn)。功率校準(zhǔn)前，需生成校準(zhǔn)頻率庫(kù)。選擇的依據(jù)是短波信道頻段劃分和濾波器特性，通常低頻段頻率選擇的多一些，高頻頻率選擇的少一些，同時(shí)濾波器頻率特性拐點(diǎn)處的頻率應(yīng)作為校準(zhǔn)頻率。

圖2 功率定標(biāo)算法流程Fig．2 Power confirming flow chart

自動(dòng)校準(zhǔn)開始后，電臺(tái)從第一個(gè)頻率開始校準(zhǔn)，完成之后，再進(jìn)行第二個(gè)頻率校準(zhǔn)，直到最后一個(gè)頻率校準(zhǔn)完成。此時(shí)，會(huì)生成一張頻率與發(fā)射衰減量對(duì)應(yīng)的一張表。功率校準(zhǔn)的算法流程圖如圖3所示。

圖3 功率校準(zhǔn)算法流程Fig．3 Power adjusting flow chart

發(fā)射機(jī)工作過程中通過查表的方法確定當(dāng)前工作頻率對(duì)應(yīng)的控制衰減量，從而控制其發(fā)射功率。另外由于預(yù)后選器、功放等在不同的工作溫度，其輸出特性存在不一致，從而給發(fā)射功率帶來影響。因此，電臺(tái)專門測(cè)試出了溫度、功率的變化曲線，根據(jù)該曲線對(duì)發(fā)射功率再做進(jìn)一步的細(xì)微調(diào)整。通過實(shí)際的驗(yàn)證測(cè)試，發(fā)射功率的波動(dòng)范圍可以控制在－1～+0．5 dB范圍內(nèi)，基本滿足實(shí)際需要。

2．2 發(fā)射機(jī)保護(hù)控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括過激勵(lì)、過駐波、過溫保護(hù)等。諧波濾波器輸出檢波后的功率正向、反向電壓，然后功放控制單元的ADC進(jìn)行采集，計(jì)算并判斷是否過激勵(lì)或過駐波。功放控制單元直接通過溫度傳感器采集溫度，判斷溫度是否過高，當(dāng)過激勵(lì)、過駐波或過溫的時(shí)候，會(huì)關(guān)閉功放，并將這些狀態(tài)信息上報(bào)給信道控制單元進(jìn)行下一步處理。保護(hù)控制框圖如圖4所示。

圖4 保護(hù)控制框Fig．4 Protection control frame

2．2．1 發(fā)射機(jī)過激勵(lì)保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

過激勵(lì)保護(hù)是指發(fā)射功率超過額定值一定程度時(shí)，為避免發(fā)射系統(tǒng)受到損壞而采取的相應(yīng)措施。

功放控制單元采集正向和反向功率電壓。需要指出的是，該檢測(cè)電壓值包含了噪聲電平。同時(shí)，由于硬件電路的特性，該檢測(cè)電壓并不是絕對(duì)不變的，而是波動(dòng)的，有波峰、波谷。因此為了得到準(zhǔn)確的正、反向檢測(cè)電壓，一方面，應(yīng)首先檢測(cè)出各個(gè)頻段的正向和反向的噪聲電平。在實(shí)際的計(jì)算過程中，再分別減去各自的噪聲電平;另一方面，開始發(fā)射后，考慮到剛開始發(fā)射瞬間，功率可能出現(xiàn)過沖等不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此采樣的時(shí)候，延時(shí)一段時(shí)候再采集數(shù)據(jù)，并采集多個(gè)樣點(diǎn)，求取的平均值作為最終值。通過這兩個(gè)方法，我們可以得到比較準(zhǔn)確的正、反向電壓，并據(jù)此計(jì)算出發(fā)射功率和駐波比。

具體的過激勵(lì)保護(hù)措施為:當(dāng)檢測(cè)計(jì)算出的功率超過門限值的時(shí)候，發(fā)射機(jī)立即切換為接收狀態(tài)。且當(dāng)再次發(fā)射的時(shí)候，發(fā)射功率應(yīng)減半，然后再逐步提升功率至額定值。

2．2．2 發(fā)射機(jī)駐波保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

駐波比(SWR)全稱為電壓駐波比(VSWR)。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配，高頻能量就會(huì)在天線產(chǎn)生反射波折回，和入射波在天饋系統(tǒng)匯合產(chǎn)生駐波。駐波比可以反應(yīng)天饋系統(tǒng)中的駐波特性，檢驗(yàn)饋線傳輸效率。電壓駐波比過大，將縮短通信距離，反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分致其燒壞，影響通信系統(tǒng)正常工作。因此有必要進(jìn)行駐波保護(hù)。

硬件上，通常采用的保護(hù)電路有:基于隔離器的保護(hù)電路、基于環(huán)行器的駐波保護(hù)電路和基于雙向定向耦合器的反射保護(hù)電路［5］。軟件上，則需要采集功率的正向和反向電壓，通過計(jì)算得到駐波比。然后根據(jù)駐波比的大小采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

駐波比(VSWR)與正向、反向功率電壓的關(guān)系如下:

式中，ρ=V－/V+，V－為反向功率電壓檢測(cè)平均值減去對(duì)應(yīng)頻段的噪聲電平，V+為正向功率電壓檢測(cè)平均值減去對(duì)應(yīng)頻段的噪聲電平。

理想情況下，完全無反射時(shí)，駐波比為1，但實(shí)際情況下，始終存在著反射，因此采取的保護(hù)措施為:①VSWR＜2，不做任何處理; ②2≤VSWR＜3，發(fā)射功率降半;③VSWR≥3，關(guān)閉發(fā)射機(jī)。

2．2．3 發(fā)射機(jī)溫度保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

溫度保護(hù)也是發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中一個(gè)重要設(shè)計(jì)。硬件上通常采用的方法有:傳熱通路盡可能短、其橫截面盡可能大、熱傳導(dǎo)面積盡可能大、發(fā)熱較大的元器件盡可能安裝于散熱器上等［1］。軟件上則主要從溫度的變化考慮增益的變化以及發(fā)射狀態(tài)的控制。根據(jù)檢測(cè)到溫度分階段進(jìn)行控制，溫度控制設(shè)置3個(gè)門限，從小到大，具體的值確定需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)試來確定。當(dāng)溫度超過第一個(gè)門限時(shí)，發(fā)射功率適當(dāng)降低;當(dāng)溫度超過第二個(gè)門限時(shí)，發(fā)射功率再適當(dāng)降低;當(dāng)溫度超過第三個(gè)門限時(shí)，關(guān)閉發(fā)射機(jī)。當(dāng)再次發(fā)射時(shí)，發(fā)射功率先減半，然后根據(jù)溫度情況逐步提高發(fā)射功率。

3 結(jié)語

發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是研究的熱點(diǎn)之一，文中基于當(dāng)前新的平臺(tái)，探討和提出了短波電臺(tái)發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用，具有一定的理論和實(shí)際意義。但由于目前發(fā)射機(jī)系統(tǒng)射頻組件的輸出特性具有不一致性，因此如何進(jìn)一步的將發(fā)射功率控制到更小的誤差范圍、提高檢測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性、提供高可靠效性的發(fā)射系統(tǒng)保護(hù)值得進(jìn)一步的研究。

［1］ 彭麟，蘇旸，袁鳳國(guó)．寬帶高速電臺(tái)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］．通信技術(shù)，2013，46(05):16－18．PEN Lin，SU Yang，YUAN Feng－guo．Protection Design on Transmitting System of Wideband High－Speed Receiver Radio［J］．Communications Technology:2013，(05):16－18．

［2］ 查光明，熊賢柞．?dāng)U頻通信［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002:60－100．CHA Guang－ming，XIONG Xian－zha．Spectrum Spread Communication［M］．Xi’an:Xidian University Press，2002:60－100．

［3］ 劉繼林．跳頻發(fā)射機(jī)自動(dòng)電平控制的實(shí)現(xiàn)方法［J］．電訊技術(shù)，2012(05):709－711．LIU Ji－lin．Implementation of Automatic Level Control in Frequency Hopping Transmitter［J］．Telecommunication Engineering:2012，(5):709－711．

［4］ 梅文華，王淑波．跳頻通信［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005:60－80．MEI Wen－h(huán)ua，WANG Shu－bo．Frequency Hopping Communication［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2005:60－80．

［5］ 王斌，趙偉剛．發(fā)射機(jī)駐波保護(hù)電路設(shè)計(jì)［J］．通信技術(shù)，2008，41(01):62－64．WANG Bin，ZHAO Wei－gang．Design of Standing Wave Protection Circuit of Transmitter［J］．Electronic Information Warfare Technology:2008，(01):62－64．